一种闭环使用的再生能源氢储能系统及方法与流程
本发明涉及氢储能技术，尤其涉及一种闭环使用的再生能源氢储能系统及方法。
背景技术：
1、随着风光发电发电量增大，用不完弃风、弃光也随之增多，消纳难度也增大。弃风、弃光问题源于系统调峰能力、无法支撑本地区新能源的大规模开发。弃风、弃光可做长时储能，将其储存，用于突发的电力需求，如电力中断、平衡电网电力需求或提供临时电力给不能断电的公司与服务。
2、另一方面，近年拥有诸多优点的氢储能技术收到了广泛的关注，氢储能的优点包括：(1)长时间：抽水蓄能可作为长时储能，但是受地域限制。氢储能更适合4小时以上的长时间充放电，可以完成季节性过渡电量。氢储能自放电率几乎为零，可以适应长达1年以上储能且不收地域限制；(2)跨区域：氢气的运输方式多元，不受输配电网络的限制，从而实现跨区域调峰。电池储能电站受输配电网络的限制，难以发挥跨区域调峰作用。
3、目前再生能源氢储能技术包括：再生能源发电，电解水制氢，储存氢气，待有用电需求时，将储存的氢气释放用于燃料电池发电。该储能技术相较于锂电池储能，储能时长，如跨季储能；相较于蓄水储能，不受地域限制；相较于液流电池储能，易于部署。
4、再生能源氢储能技术中，电解水制氢如质子交换膜电解水制氢，对水要求较高，需要纯水。再生能源富余地区，如大西北地区，常为黄土或沙漠地区，供水成为电解水制氢的一大难题。另外，再生能源氢储能技术中，光伏电解水制氢后，氢气的长时间储存也存在问题。氢气长时间储存，可采用高压储氢，但储氢过程需要氢气加压，使用氢气加压机是耗能的方式，通常需要两级升压到70mpa；再者，使用氢气发电，还需要把氢气降到0.5mpa才可供给燃料电池使用来发电，加压再减压、完全是一个多余的过程，且有耗能的问题。若要低压氢气储存，可使用室温型储氢材料可在常温下储存与释放氢气，如ab5(稀土储氢合金)、ab2、ab(feti储氢合金)或是bcc储氢合金，但上述储氢合金不同程度的存在储氢量低、材料矿源少、成本较高的问题。
技术实现思路
1、本发明的目的在于，针对目前再生能源氢储能技术存在的问题，提出一种闭环使用的再生能源氢储能系统，该系统回收质子交换膜燃料电池发电所产生的水，用于供给质子交换膜电解水制氢，如此形成了水电解制氢、发电生成水、水再回收给电解水使用的闭环。本发明闭环使用的再生能源氢储能系统不受水源制约，能在野外独立闭环运作储能/发电。
2、需要注意的是，在本发明中，除非另有规定，涉及组成限定和描述的“包括”的具体含义，既包含了开放式的“包括”、“包含”等及其类似含义，也包含了封闭式的“由…组成”、“由…构成”等及其类似含义。
3、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种闭环使用的再生能源氢储能系统，包括再生能源发电单元、质子交换膜电解水制氢单元、氢化镁储氢放氢单元、质子交换膜燃料电池发电单元、储水单元和供热系统，所述再生能源发电单元与质子交换膜电解水制氢单元电连，所述质子交换膜电解水制氢单元、氢化镁储氢放氢单元和质子交换膜燃料电池发电单元通过氢气输送管路依次连接，所述质子交换膜燃料电池发电单元、储水单元和质子交换膜电解水制氢单元通过水管依次连接，所述供热系统与氢化镁储氢放氢单元通过导热介质管路连接。
4、进一步地，所述再生能源发电单元为光伏发电装置、风力发电装置或生物质能发电装置。
5、进一步地，所述质子交换膜电解水制氢单元与质子交换膜燃料电池发电单元可为同一套装置。质子交换膜电解水制氢单元与质子交换膜燃料电池发电单元内的反应为可逆过程，因此可以用同一套装置实现两种功能，降低了体统成本。
6、进一步地，所述氢化镁储氢放氢单元内填充有氢化镁。采用氢化镁储存氢气具有储氢密度高(7.6wt.％)、储存氢气量大、且稳定的优点。氢化镁储存氢气或是放出氢气时的工作压力均为低压(可小于12bar)，工作压力易于与制氢单元以及质子交换膜搭配，即不需要加压泵且管路容器可为低压设计。氢化镁的储氢与放氢均需要高温(180℃-400℃)，本发明供热系统(如聚光型太阳能集热器)能提供氢化镁储、放氢气所需的工作温度。本发明储氢材料选用氢化镁，相比传统储氢材料具有低成本和存储时长的优势。
7、进一步地，所述质子交换膜燃料电池发电单元为静态排水燃料电池。所述静态排水的回收水率高达99％。
8、进一步地，所述储水单元包括储水容器、阀门和打水泵，所述储水容器上设置有阀门，所述阀门通过管路与打水泵连通。质子交换膜燃料电池空气侧经由冷凝可产生水，产生的水可借由氢气端与氧气端的气体压力与阀门的开关注入储水容器；储水容器的水可经由打水泵与阀门的开关，将水注入质子交换膜电解水制氢单元，提供电解水制氢所需的水。
9、进一步地，所述供热系统包括聚光型太阳能集热器和储热装置，所述聚光型太阳能集热器和储热装置通过导热介质管道连接。在弃风、弃光区域，光照充足时可使用聚光型太阳能集热器来提供氢化镁储放氢气所需的工作温度(280℃-400℃)。
10、进一步地，所述聚光型太阳能集热器和氢化镁储氢放氢单元通过导热介质管道连接；
11、和/或储热装置和氢化镁储氢放氢单元通过导热介质管道连接。
12、进一步地，所述储热装置能存储聚光型太阳能集热器的热量，并且在氢化镁储氢放氢单元需要释放氢气时为其提供热能。所述储热装置为使用caco3/cao可逆反应的热化学储热装置。
13、进一步地，所述导热介质为聚光型太阳能集热器、储热装置和氢化镁储氢放氢单元间的热能交换介质。本发明所述导热介质为熔盐。
14、进一步地，所述熔盐优选二元熔盐，所述二元熔盐包括60wt％硝酸钠和40wt％硝酸钾，最高工作温度600℃，非常适合氢化镁的储放氢的工作温度。
15、本发明的另一个目的还公开了一种闭环使用的再生能源氢储能方法，包括以下步骤：
16、再生能源储能，再生能源发电单元发电供给质子交换膜电解水制氢单元制氢，所述质子交换膜电解水制氢单元制备得到的氢气运输至氢化镁储氢放氢单元储存；
17、氢气的存储和释放，所述供热系统提供氢化镁储氢放氢单元储存氢气或释放氢气所需的热能；
18、储能发电，所述氢化镁储氢放氢单元释放的氢气供给质子交换膜燃料电池发电单元发电；
19、水资源循环利用，所述质子交换膜燃料电池发电单元发电生产的水收集并输送至储水单元储存；所述储水单元储存的水能供给质子交换膜电解水制氢单元制氢。
20、进一步地，所述供热系统中的聚光型太阳能集热器提供氢化镁储氢放氢单元储存氢气或释放氢气所需的热能；
21、和/或所述供热系统中的储热装置提供氢化镁储氢放氢单元储存氢气或释放氢气所需的热能。
22、本发明闭环使用的再生能源氢储能系统及方法，与现有技术相比较具有以下优点：
23、1)本发明通过水资源循环利用，解决了电解水制氢用水来源的问题。本发明质子交换膜燃料电池发电单元为静态排水燃料电池。所述静态排水主要指依靠毛细管、压差、浓度和重力作用进行排水。所述静态排水有利于系统的回收水率提高到99％。静态排水在电池性能方面与动态排水相比：高电流密度(＞500ma/cm2)时，静态结构的生成水速率高于排出水速率。本发明回收质子交换膜燃料电池发电所产生的水，用于供给质子交换膜电解水制氢，如此形成了水电解制氢、发电生成水、再回收给电解水使用的闭环使用。而且，质子交换膜燃料电池发电生成的水为纯水，无需过滤纯化即可给质子交换膜电解水制氢使用。对于本发明氢储能系统少量水损失，可通过在储水单元内预存一定量的水或增加补水装置，保证系统运行的需水量。本发明闭环使用的再生能源氢储能系统方便部署，能在野外独立闭环运作储能/发电，免去找水源的问题。
24、2)本发明使用氢化镁储氢材料来储存氢气，可实现氢气的长时间储存。氢化镁(mgh2)储氢原理：在一定的温度和压力条件下，镁可以与氢气反应形成氢化镁，这个反应是可逆的；当氢化镁加热时，它可以分解，释放出储存的氢气。氢化镁因具有较高的体积储氢密度(110g/l)和质量储氢密度(7.6wt.％)，较低的平台氢压(<1mpa)，为电解水制氢压力与燃料电池发电使用的氢气压力提供了便捷方案、即无需氢气加压过程。镁是地球上储量最丰富的轻金属元素之一，镁蕴藏量丰富，在地壳中含量丰度2％。氢化镁储氢材料有低成本和存储时长的优势。
25、3)本发明采用聚光型太阳能集热器来提供氢化镁储放氢气所需的工作温度(280℃-400℃)。所述聚光型太阳能集热器使用熔盐作为传热介质，熔盐具有高的工作温度，能克服以导热油为传热介质时，工作温度不适用于氢化镁储放氢的问题。导热油工作温度最高400℃，且有温度梯度、使得大型氢化镁储氢系统中会有大部分区域的工作温度低于400℃，而无法储放氢气。本发明熔盐优选二元熔盐，包含60wt％硝酸钠和40wt％硝酸钾的二元熔盐熔点为220℃，最高工作温度为600℃，非常适合氢化镁的储放氢的工作温度。
26、4)本发明氢储能系统能实现长时储热，本发明储热装置为使用caco3/cao可逆煅烧/碳酸化反应的热化学储热装置。caco3/cao可逆煅烧/碳酸化反应的热化学储热技术：caco3吸收太阳热能被分解为cao和co2，释放的co2经压缩后储存，cao在常温常压下储存，此为热能储能过程；将cao和co2在碳酸化反应器中形成caco3，为放热反应，此为热能释放过程。caco3/cao可逆煅烧/碳酸化反应具有较高的放热温度(650℃～1000℃)，适用于氢化镁释放氢气。此钙基材料具有分布广泛，价格低廉以及与co2循环兼容性良好的优点，能实现聚光型太阳能集热器长时储热。
技术特征：
1.一种闭环使用的再生能源氢储能系统，其特征在于，包括再生能源发电单元(1)、质子交换膜电解水制氢单元(2)、氢化镁储氢放氢单元(3)、质子交换膜燃料电池发电单元(4)、储水单元(5)和供热系统；所述再生能源发电单元(1)与质子交换膜电解水制氢单元(2)电连，所述质子交换膜电解水制氢单元(2)、氢化镁储氢放氢单元(3)和质子交换膜燃料电池发电单元(4)通过氢气输送管路依次连接，所述质子交换膜燃料电池发电单元(4)、储水单元(5)和质子交换膜电解水制氢单元(2)通过水管依次连接，所述供热系统与氢化镁储氢放氢单元(3)通过导热介质管路连接。
2.根据权利要求1所述闭环使用的再生能源氢储能系统，其特征在于，所述再生能源发电单元(1)为光伏发电装置、风力发电装置或生物质能发电装置。
3.根据权利要求1或2所述闭环使用的再生能源氢储能系统，其特征在于，所述氢化镁储氢放氢单元(3)内填充有氢化镁。
4.根据权利要求1-3中任一项所述闭环使用的再生能源氢储能系统，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池发电单元(4)为静态排水燃料电池。
5.根据权利要求1所述闭环使用的再生能源氢储能系统，其特征在于，所储水单元(5)包括储水容器、阀门和打水泵，所述储水容器上设置有阀门，所述阀门通过管路与打水泵连通。
6.根据权利要求1所述闭环使用的再生能源氢储能系统，其特征在于，所述供热系统包括聚光型太阳能集热器(6)和储热装置(7)，所述聚光型太阳能集热器(6)和储热装置(7)通过导热介质管道连接。
7.根据权利要求6所述闭环使用的再生能源氢储能系统，其特征在于，所述聚光型太阳能集热器(6)和氢化镁储氢放氢单元(3)通过导热介质管道连接；
8.根据权利要求6所述闭环使用的再生能源氢储能系统，其特征在于，所述储热装置(7)为使用caco3/cao可逆反应的热化学储热装置。
9.根据权利要求1-8任意一项所述闭环使用的再生能源氢储能系统，其特征在于，所述导热介质为熔盐。
10.一种闭环使用的再生能源氢储能方法，其特征在于，包括以下步骤：
技术总结
本发明提供一种闭环使用的再生能源氢储能系统及方法，该系统包括再生能源发电单元、质子交换膜电解水制氢单元、氢化镁储氢放氢单元、质子交换膜燃料电池发电单元、储水单元和供热系统，再生能源发电单元与质子交换膜电解水制氢单元电连，质子交换膜电解水制氢单元、氢化镁储氢放氢单元和质子交换膜燃料电池发电单元通过氢气输送管路依次连接，质子交换膜燃料电池发电单元、储水单元和质子交换膜电解水制氢单元通过水管依次连接，供热系统与氢化镁储氢放氢单元通过导热介质管路连接。本发明氢储能系统能回收质子交换膜燃料电池发电所产生的水，用于供给质子交换膜电解水制氢，形成了水电解制氢、发电生成水、再回收给电解水使用的闭环。
技术研发人员：吕志辉,谷杰人,陆巍
受保护的技术使用者：富德金煜（湖州）氢能技术研究有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23